Instructions d`utilisation 3B SCIENTIFIC 3B SCIENTIFIC® PHYSICS

3B SCIENTIFIC
SCIENTIFIC® PHYSICS
®
U10371 Appareil d’expérimentation électromagnétique
Instructions d’utilisation
9/04 MH
1
2
3
9
1 Vis moletée pour fixer le support transversal
2 Cinq trous filetés pour fixer le support transversal
3 Support transversal
4 Balançoire
5 Support
6 Vis moletée M 8x20 pour fixer l’aimant
7 Aimant U10370 (non fourni)
8 Trous filetés pour fixer l’aimant
9 Réception de balançoire
bl Logement du pendule
bm Pendule à fentes
bn Pendule entier
bo Barre en verre avec cordon et crochet
bp Barre en aluminium avec cordon et crochet
bl
bm
4
bn
5
bo
6
bp
7
8
Fig. 1 : Composants
L’appareil d’expérimentation électromagnétique permet de réaliser des expériences sur la force exercée
sur un conducteur traversé par du courant, sur les
courants de Foucault induits ainsi que sur le
diamagnétisme et le paramagnétisme.
positions prédéfinies de l’aimant et des logements
pour des accessoires. De longs travaux d’ajustage sont
superflus. En outre, tous les accessoires destinés au
rangement peuvent être fixés au support. Les pendules (bm, bn) doivent être suspendus dans les deux fentes médianes du logement de pendules et les barres
en verre et en aluminium (bo et bp) dans les deux
fentes extérieures, afin que les cordons ne s’emmêlent pas. La balançoire est suspendue à un support
transversal présentant des douilles pour la fiche de
sécurité (4 mm). Le courant maximum de la balançoire ne doit pas dépasser 6 A.
Hauteur du support :
345 mm
Pendule :
290 x 70 mm
Largeur de fente :
max. 1 mm
Largeur de la balançoire : 100 mm
Barres :
40 mm x 8 mm Ø
1. Consignes de sécurité
• En cas d’emploi de l’aimant U10370, respecter rigoureusement les consignes de sécurité indiquées.
Par ex., ne jamais l’utiliser avec un stimulateur
cardiaque !
• Risque de choc électrique ! La tension de sortie
maximale du bloc d’alimentation ne doit pas dépasser 40 V.
• Risque de blessure ! La barre en verre bo est fragile et doit être manipulée avec prudence. Les bris
à bords tranchants constituent un risque de blessure accru.
3. Manipulation et entretien
2. Description, caractéristiques techniques
• Assembler tout d’abord le support (Fig. 1). Veiller
à ce que l’appareil soit en position verticale (utiliser une équerre).
L’appareil d’expérimentation électromagnétique est
constitué d’un support en aluminium stable avec des
9
• La bande de cuivre de la balançoire doit pendre vers
le bas et le fil de cuivre être parallèle au support transversal. Le cas échéant, lisser la bande entre deux
doigts. La bande de cuivre ne doit pas être pliée au
niveau des points de brasage (risque de cassure).
• Les barres en verre et en aluminium pendent à un
fil fin qui peut être quelque peu torsadé. Avant de
commencer une expérience, laisser les barres pendues chacune au support, jusqu’à ce qu’elles ne
tournent plus.
• Entretien : fondamentalement, l’appareil d’expérimentation électromagnétique ne nécessite aucun
entretien. Pour le nettoyer, on peut l’essuyer avec
de l’eau et un produit de rinçage. On peut utiliser
des solvants, comme l’acétone, la ligroïne ou l’éthanol, sauf au niveau des étiquettes.
• Si les cordons de la barre en verre ou en aluminium se nouent ou s’emmêlent, on peut utiliser
de la soie à coudre fine. Celle-ci est alors enroulée
env. 3 fois autour de la barre, puis nouée. Ensuite,
accrocher et équilibrer la barre en position horizontale en déplaçant la soie sur la barre. Pour terminer, la soie peut être fixée à la barre avec une
colle rapide (observer les consignes de sécurité du
fabricant de colle).
• Le montage de la figure 2 (à droite) permet de démontrer que la force de Lorentz agit ni dans le sens
du champ magnétique, ni dans le sens du courant.
Dans le premier cas, la balançoire oscillerait à
droite ou à gauche, dans le second, elle oscillerait
vers ou hors du plan du dessin.
• Le montage de la figure 2 (à gauche) permet une
démonstration qualitative et quantitative de la
force de Lorentz. Pour la démonstration qualitative, la balançoire est suspendue verticalement audessus des pôles de l’aimant. Si l’on applique maintenant du courant, on peut observer une déviation qui augmente au fur et à mesure qu’augmente
l’intensité du courant.
• Pour la démonstration quantitative de la force de
Lorentz, on se sert des trois trous filetés qui sont
décalés de 15, 30 et 45 mm à gauche par rapport à
la verticale. Si la balançoire est montée décalée à
gauche par exemple de 45 mm (cf. la figure) et que
le courant la traversant est réglé de telle sorte que
le gros fil en cuivre se trouve très précisément au
centre du champ magnétique, la balançoire dévie
alors de la verticale de très exactement 45 mm et
la force de Lorentz correspond à la force de rappel
à laquelle est soumise la balançoire par l’attraction terrestre (voir aussi l’évaluation de l’expérience).
4.1.2 Réalisation de l’expérience
•
Pour les mesures, il est judicieux de noter les
grandeurs suivantes :
– numéro de l’expérience,
– écart d’épanouissements a,
– largeur d’épanouissement dans le sens du
conducteur b,
– déviation c et
– courant Ι, qui, en position centrale1, traverse
le fil de cuivre.
4. Réalisation et évaluation des expériences
4.1 Conducteur traversé par du courant dans le
champ magnétique
4.1.1 Montage de l’expérience
•
Les deux montages de l’expérience sont illustrés
dans la figure 2.
1
2
2
1
3
3
4
5
Fig. 2 : Conducteur traversé par du courant dans le champ magnétique
vis moletée, support transversal,
balançoire,
épanouissement polaire,
1
3
4
5vis moletée à tête plate
1) au besoin, mesurer l’écart horizontal entre le fil de cuivre et la vis moletée (5) avec une règle non magnétique
10
• Exemple d’une série d’expériences :
N° d’exp. Ecart d’épanouissements a [mm] Largeur d’épanouissement b [mm] Déviation c [mm] Courant Ι [A]
1
10
50
15
0,57
2
10
50
30
1,20
3
10
50
45
1,87
4
10
20
15
1,16
5
10
20
30
2,36
6
10
20
45
3,57
•
4.1.3 Evaluation de l’expérience
•
Simplifiée, la balançoire est considérée comme
un pendule mathématique, c’est-à-dire que la
masse des bandes en cuivre est négligée et le fil
de cuivre est considéré comme une masse ponctuelle (m = 6,23 g). La longueur utile du pendule
s est un peu plus petite que la longueur des bandes de cuivre, car celles-ci, dans la partie supérieure, ne se plient pas en bords vifs lorsque la
balançoire est déviée. La longueur s résulte donc
du point d’intersection imaginaire formé par le
prolongement linéaire des bandes de cuivre et la
droite perpendiculaire (cf. Fig. 2). On a à peu près
la valeur suivante : s = 200 mm.
•
La force résultante dans la bande de cuivre FK, composée de la force de Lorentz FL et de la force pondérale FG, est inclinée dans un angle ϕ, car la bande
de cuivre n’absorbe (pratiquement) aucune force
transversale. On a alors l’équation suivante :
•
N° d’exp.
1
2
3
4
5
6
•
FL
= tan ϕ
FG
⇔
F L = mg
•
c
s
c
1−  
s
2
La longueur utile approximative du conducteur
dans le champ magnétique résulte de l’équation
suivante :
bw = b + a
(2)
L’évaluation des expériences avec les équations
1 et 2 donne :
Longueur de
conducteur
utile bw [mm]
60
60
60
30
30
30
Force de
Lorentz
FL [mN]
4,60
9,27
14,1
4,60
9,27
14,1
Courant Ι
[A]
0,57
1,20
1,87
1,16
2,36
3,57
Le résultat est illustré dans la figure 4. On observe que la force de Lorentz est proportionnelle
au courant. Une évaluation des pentes des droites montre en outre que la force de Lorentz est
également proportionnelle à la longueur utile du
conducteur. On a donc l’équation suivante :
FL ∝ bw Ι
(1)
Dans la série d’expériences susnommées, les épanouissements polaires des expériences 4 - 6, comparés aux expériences 1 - 3, sont inclinés de 90°.
Ainsi la longueur du conducteur qui plonge dans
le champ magnétique est-elle modifiée. Mais lors
de l’évaluation, il ne faut pas se baser sur les véritables dimensions des épanouissements polaires, car le champ magnétique « dépasse » sur les
bords (cf. Fig. 3).
Fig. 4 : Force de Lorentz comme fonction du courant dans le conducteur.
Symboles carrés : bW = 60 mm, losanges : bW = 30 mm
4.2 Courants de Foucault induits
• Le montage de l’expérience est illustré dans la figure 5. L’écart polaire est d’env. 10 - 30 mm et
peut être varié. Si les deux pendules sont déviés
ensemble dans le même angle, puis relâchés, le
Fig. 3: Effets sur les bords des épanouissements polaires
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pendule entier freinera plus rapidement, tandis
que le pendule à fentes exécutera quelques oscillations.
• Explication : au cours des expériences du paragraphe 4.1, un courant a traversé la balançoire. Puis,
des charges (électrons) ont été mises en mouvement dans un champ magnétique, ce qui a eu pour
effet qu’une force mesurable (force de Lorentz) s’est
exercée sur les électrons.
Fig. 5 : Courants de Foucault induits
trons sont d’abord déplacés dans un sens, mais
lorsqu’un grand nombre s’est accumulé en haut
ou en bas dans le pendule, ils se repoussent et la
tension ainsi formée est en équilibre avec la force
de Lorentz sans flux de courant. L’énergie du pendule n’est donc pas convertie en chaleur.
4.3 Diamagnétisme et paramagnétisme
• Le montage de l’expérience correspond dans son
principe à la figure 5. A la place du pendule, on
accroche à présent dans le champ magnétique la
barre en aluminium ou en verre (éliminer auparavant l’éventuelle torsion du fil, cf. paragraphe 3).
La barre en verre oscillera encore un peu, tandis
que la barre en aluminium ne prendra que très
lentement sa position finale (courants de Foucault
induits, voir au paragraphe précédent). Après un
certain temps, les barres se positionneront comme
le montre la figure 6.
Fig. 6 : Barre en verre (à gauche) et barre en aluminium (à droite) dans un
champ magnétique
• Dans cette expérience, des charges (électrons libres dans l’aluminium) ont également été mises
en mouvement dans un champ magnétique, le
mouvement étant cette fois de nature mécanique.
Par ce mouvement, la force de Lorentz agit également sur les électrons, ce qui entraîne dans l’aluminium un flux d’électrons, donc un courant circulant dans cette expérience soit verticalement de
haut en bas, soit inversement, selon le sens de
déplacement du pendule.
• Dans le pendule entier, on observe un « court-circuit », car le courant induit dans les zones du pendule peut retourner hors du champ magnétique.
Un courant de Foucault se forme alors, qui peut
être très élevé et entraîner un réchauffement de
l’aluminium. L’énergie du pendule est donc transformée d’abord en énergie électrique, puis en chaleur.
• Dans le pendule à fentes, le courant de Foucault
ne peut pas se former, car, par les fentes, les zones
en aluminium hors du champ magnétique sont
isolées par les zones situées à l’intérieur. Les élec2)
• En desserrant la vis moletée qui retient l’aimant
et en tournant lentement ce dernier, on peut montrer que l’orientation des barres par rapport à
l’aimant ne change pas et ne résulte donc pas de
la position de repos purement mécanique (pas de
torsion de fil).
• Explication : bien que ni le verre ni l’aluminium
ne soient magnétiques, les deux barres s’orientent
dans le champ magnétique. La perméabilité relative µr, qui indique de combien le matériau multiplie la densité de flux d’un champ magnétique par
rapport au vide, constitue la grandeur déterminante. Il est surprenant que la perméabilité relative puisse être supérieure ou inférieure à 1, contrairement aux constantes diélectriques. Avec l’aluminium, elle est de 2) = 1,000023, et avec le verre,
de = 0,99999. Avec l’aluminium, la densité est donc
amplifiée et la barre tourne dans le sens de la flèche. On appelle cet effet le « paramagnétisme ».
Avec le verre, c’est l’inverse. La barre s’écarte du
champ et l’effet est appelé le « diamagnétisme ».
Grimsehl, Physik II, Ernst Klett Verlag Stuttgart, 1955
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